基于边光滑有限元法的加筋板静力和自由振动分析

运用边光滑有限元法,研究分析了加筋板结构的静力和自由振动问题。在边光滑有限元法中,将基于边的应变光滑技术用于对原来的应变场进行光滑操作;由于应变光滑技术能够适当地软化原来过刚的有限元模型,从而能够得到更加接近于系统准确刚度的光滑有限元模型;鉴于三角形单元良好的适用性,选用三角形单元对模型进行网格划分;同时,为了解决低阶Reissner-Mindlin板单元弯曲过程中的横向剪切自锁问题,采用了一种新型的离散剪切间隙技术。算例的数值计算结果表明,与传统的有限元法相比,边光滑有限元法能够得到精度更高的计算结果,且收敛更快,计算效率更佳。     

光滑边域连续-非连续细胞自动机在裂纹开裂扩展中的应用

针对岩石裂纹开裂扩展问题，将应变光滑技术与连续-非连续细胞自动机方法相结合，构建了非连续裂纹贯穿单元和裂纹尖端单元光滑应变场，提出快速自适应光滑边域连续-非连续细胞自动机方法.构建了裂纹面位移非连续精细表征的非连续增强形函数，建立了裂纹贯穿单元和裂纹尖端单元的光滑应变矩阵求解方法，利用高斯散度定理将单元的区域积分转换为光滑域边界线积分，推导给出了光滑边域连续-非连续细胞自动机应变矩阵计算表达式，并提出了快速自适应更新方法，建立了加速因子随元胞更新而同步更新的自适应加速算法，基于此，最佳加速因子随更新自动获得，收敛速度较传统细胞自动机方法得到极大提高.利用C++编制了分析计算程序，针对多裂纹开裂扩展过程进行了模拟，并与扩展有限元进行了比较.研究发现，光滑边域连续-非连续细胞自动机方法在解的精确性、稳定性和收敛性上较扩展有限元有显著优势.     

平面三角形单元有限元差分法

本文基于有限元差分法的构造方法,建立了平面三角形单元的有限元差分法。该方法的计算过程简单、规范,能够形成通用的计算程序。它直接给出连续的应力场,能够通过常应变收敛试验,具有较常规有限元法高得多的计算精度。更重要的是,该方法的构造思路能够推广于人们熟知的任何单元中。     

光滑扩展有限元方法及其特点研究

将光滑有限元法S-FEM（Smoothed Finite Element Method）的子域光滑应变技术和边域光滑应变技术同时引入到扩展有限元XFEM（Extended Finite Element Method）中，提出一种新的光滑扩展有限元法S-XFEM（Smoothed Extended Finite Element Method）。在单元选取及扩充结点选取时采用ES-FEM的光滑域划分方式，在数值积分计算刚度矩阵时采用基于三角形子域的CS-FEM积分思路，并给出了高斯点的积分策略。设计了S-XFEM程序架构并利用Matlab语言编制了S-XFEM计算程序。通过几个经典算例研究对比了XFEM和S-XFEM的特点，验证了S-XFEM的精确性和适用性。结果表明，XFEM和S-XFEM均具有很高的计算精确性和收敛性，XFEM计算精度略高于S-XFEM，而S-XFEM在网格独立性上则明显优于XFEM。     

二维复杂弹性空腔的边光滑有限元建模及分析

在弹性空腔结构上敷设被动约束层阻尼(passive constraint layer damping, PCLD)可达到减振降噪的效果,针对这类复杂结构建立了二维复合弹性空腔的边光滑有限元耦合动力学模型。其中,PCLD结构采用两节点四自由度的PCLD梁单元,声场采用边光滑有限元模型。以二维全敷设复合矩形空腔模型为数值算例,以精细网格下的有限元法结果作为参考解,对比研究了在相同背景网格下,边光滑有限元法和有限元法的频响结果,发现前者更接近参考解,说明同样的计算成本下,边光滑有限元法具有更高的精确性,特别是在中频计算中。最后,分析了PCLD结构对某汽车驾驶舱的降噪效果,以及黏弹层和约束层厚度参数的影响规律,发现黏弹层厚度增大,可一定程度上降低空腔噪声,而约束层厚度增大,并不能在整个频段得到很好的降噪效果。     

有限元方法中的光滑积分伪弱形式

提出了一种光滑积分伪弱形式,将光滑积分拓展至被积函数非偏导项求解。结合光滑应变技术和伪弱形式,可实现有限元系统方程统一光滑积分求解,即对刚度矩阵和质量矩阵中的应变矩阵和形函数矩阵均可进行光滑积分处理,并转化为光滑子域的边界积分。光滑积分伪弱形式与光滑应变技术比较,增加了形函数矩阵不定积分处理过程,且没有降低有限元求解对形函数连续性的要求。不过,伪弱形式改变了单元积分的求解形式,连续质量矩阵求解也无需坐标映射和雅可比矩阵计算。以轴对称二维问题为研究对象,结果表明极度不规则三角形和四边形单元光滑积分伪弱形式在静态和动态有限元方程求解中也具有很好的精度。     

基于光滑边域有限元法的二维裂纹扩展分析

为了提高预测裂纹扩展路径的准确性和效率,本文将光滑边域有限元法和虚拟裂纹闭合法相结合,利用常应变三角形单元,获得裂纹尖端处的断裂控制参量应力强度因子,并运用最大拉应力准则求得裂纹在荷载作用下的启裂方向,对裂纹扩展轨迹给出自动跟踪方法;对三个典型二维裂纹扩展模型,预测了裂纹扩展路径,并将结果与参考文献中的结果进行对比,验证方法的有效性与准确性。数值结果表明:该方法具有单元简单、网格尺寸要求低、裂纹尖端处单元不需特殊处理等优点,是分析裂纹扩展问题简洁高效的数值计算方法。     

基于应变梯度中厚板单元的石墨烯振动研究

基于应变梯度理论建立了单层石墨烯等效明德林(Mindlin) 板动力学方程,推导了四边简支明德林中厚板自由振动固有频率的解析解. 提出了一种考虑应变梯度的4 节点36 自由度明德林板单元,利用虚功原理建立了单层石墨烯的等效非局部板有限元模型. 通过对石墨烯振动问题的研究,验证了应变梯度有限元计算结果的收敛性. 运用该有限元法研究了尺寸、振动模态阶数以及非局部参数对石墨烯振动特性的影响. 研究表明,这种单元能够较好地适用于研究考虑复杂边界条件石墨烯的尺度效应问题. 基于应变梯度理论的明德林板所获得石墨烯的固有频率小于基于经典明德林板理论得到的结果. 尺寸较小、模态阶数较高的石墨烯振动尺度效应更加明显. 无论采用应变梯度理论还是经典弹性本构关系,考虑一阶剪切变形的明德林板模型预测的固有频率低于基尔霍夫(Kirchho) 板所预测的固有频率.      

RESEARCH DEVELOPMENTS OF SMOOTHED PARTICLE HYDRODYNAMICS METHOD AND ITS COUPLING WITH FINITE ELEMENT METHOD

拉格朗日型的有限元法和光滑粒子法在模拟材料大变形问题时各存优缺点, 而有限元与光滑粒子耦合算法实现了在小变形区域采用有限元法计算, 在局部的大变形区域采用光滑粒子法计算, 有效地综合了有限元法计算效率高和光滑粒子法能够自然地模拟材料大变形问题的特点.重点论述了有限元法、光滑粒子法以及有限元与光滑粒子耦合算法的研究现状及应用进展, 并讨论了各方法中需要进一步解决的问题.最后通过算例对3种方法的计算精度和计算效率进行了分析, 供研究人员参考.     

边坡稳定的剪切带计算

为了解决边坡稳定分析中剪切带有限元网格的依赖性问题,采用梯度塑性理论,从本构关系中引入特征长度入手,建立计算模型。提出了一种8节点缩减积分的梯度塑性单元,并采用梯度塑性理论推导了Drucker-Prager屈服准则的软化模型的有限元格式,在ABAQUS中进行了二次开发,嵌入了本文提出的8节点单元和本构模型,并用ABAQUS软件进行了边坡剪切带的计算。计算结果表明,本文提出的方法消除了经典有限元计算的网格依赖性问题,可以得到与单元剖分无关的稳定的剪切带宽度。本文所提出的方法可适用于其他场合的剪切带计算。     

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将理性有限元法引入到Timoshenko梁问题中,提出了一种理性Timoshenko梁单元,克服了 剪切锁死现象. 在推导控制方程时,与传统有限元方法采用Lagrange插值不同, 理性有限元法用Timoshenko梁弯曲问题的基本解逼近单元内部场. 运用该梁单元分析 Timoshenko梁时,无需缩减积分,就能避免剪切锁死,并且极大地提高了计算精度,说明 理性有限元法具有广泛的应用前景.     

三维自适应FE-SPH耦合算法在多层间隔金属靶侵彻问题中的应用

鉴于有限元算法不能有效地模拟侵彻过程所产生的金属碎片, 本文中基于三维自适应FE-SPH耦合算法的基本理论, 自主开发了模拟多层间隔金属靶侵彻问题的三维FE-SPH耦合计算程序。该程序采用四面体单元对多层间隔金属靶侵彻模型进行初始离散, 计算过程中, 当四面体单元等效塑性应变超过某一设定值时, 单元自动转化为SPH粒子, 并引入有限单元-粒子接触算法和耦合算法, 实现大变形和破碎区域采用SPH方法计算, 克服有限元法单元畸变存在的问题。多层间隔靶侵彻算例分析表明, 三维FE-SPH耦合计算程序采用等效塑性应变作为转化判据计算结果较稳定, 并且能够有效地再现侵彻过程中所产生的碎片, 能够模拟侵彻碎片对后层靶的毁伤效应。     

金属材料平面应变拉伸变形局部化有限元分析

本文对于涉及韧性金属大变形中颈缩与剪切带断裂一类高度非线性变形局部化问题进行了弹塑性有限元数值模拟。采用改进的Ｊ２形变理论微分形式公式与交叉三角形四边形单元有限元网格，详细研究了应变硬化指数及初始表面不均匀特性的平面应变拉伸颈缩和剪切带形成的综合影响，给出此类问题的断裂机制图。     

二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法

计算效率低的问题长期阻碍着无网格伽辽金法(element-free Galerkin method, EFGM)的深入发展.为了提高EFGM的计算速度,本文提出一种求解二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法.该方法在问题域内采用滑动最小二乘法(moving least square, MLS)近似、在域边界上采用线性插值建立位移场函数;基于广义梯度光滑算子得到两层嵌套光滑三角形背景网格上的光滑应变,根据广义光滑伽辽金弱形式建立系统离散方程.两层嵌套光滑三角形网格是由三角形背景网格本身以及四个等面积三角形子网格组成.为了提高方法的精度,由Richardson外推法确定两层光滑网格上的最优光滑应变.几个数值算例验证了该方法的精度和计算效率.数值结果表明,随着光滑积分网格数目的增加,光滑无网格伽辽金法的计算精度逐步接近EFGM的,但计算效率要远远高于EFGM的.另外,光滑无网格伽辽金法的边界条件可以像有限元那样直接施加.从计算精度和效率综合考虑,光滑无网格伽辽金法比EFGM具有更好的数值表现,具有十分广阔的发展空间.     

用自然三角形单元计算应力强度因子

用有限元法计算应力强度因子的各种奇异元中,由八节点或十二节点的四边形等参数单元所派生的奇异元最为简单,因为这种单元就是原有的等参数单元,无须程序变动,只要适当地改变裂纹顶点单元的边中点的坐标,就可使应变具有γ~(-1/2)的奇异性。这种单元是协调单元,满足收敛准则,当有人提出过渡单元概念以后,使计算结果更为精确,因此,这种单元是工程中广泛应用的一种计算应力强度因子的奇异元。与四边形等参数单元相应的一族单元是自然三角形单元。下面证明六节点的二次三角形单元和十节点的三次三角形单元,尽管它们的形状函数与上述四边形二次和三次单元通过一边收缩成一点而成的三角形单元的形状函数不同,但通过边上点取与上述等参数单元相同的位置,也可得到角点的应变具有γ~(-1/2)的奇异性。不同的是,对于六节点     

二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法

计算效率低的问题长期阻碍着无网格伽辽金法(element-free Galerkin method, EFGM) 的深入发展. 为了提高EFGM 的计算速度, 本文提出一种求解二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法. 该方法在问题域内采用滑动最小二乘法(moving least square, MLS)近似、在域边界上采用线性插值建立位移场函数; 基于广义梯度光滑算子得到两层嵌套光滑三角形背景网格上的光滑应变, 根据广义光滑伽辽金弱形式建立系统离散方程. 两层嵌套光滑三角形网格是由三角形背景网格本身以及四个等面积三角形子网格组成. 为了提高方法的精度, 由Richardson外推法确定两层光滑网格上的最优光滑应变. 几个数值算例验证了该方法的精度和计算效率. 数值结果表明, 随着光滑积分网格数目的增加, 光滑无网格伽辽金法的计算精度逐步接近EFGM 的, 但计算效率要远远高于EFGM的. 另外, 光滑无网格伽辽金法的边界条件可以像有限元那样直接施加. 从计算精度和效率综合考虑, 光滑无网格伽辽金法比EFGM具有更好的数值表现, 具有十分广阔的发展空间.      

基于偶应力理论剪切带问题的弹塑性有限元分析

对于软化材料的剪切带问题,传统弹塑性有限元分析遇到了困难,进入弹塑性阶段,计算结果对网格划分敏感,出现所谓的有限元网格依赖性问题,随着网格的细分,计算常常因不收敛导致失效. 用有限元软件ABAQUS计算了3个例题,证实了传统弹塑性有限元分析软化材料剪切带问题的局限性,同时证实对于无剪切带的厚壁筒问题不会出现上述问题. 进一步引入细观非局部化理论,对非局部理论含有的细观参数\ell进行了深入讨论,并采用可通过C0 -1分片检验的18参偶应力三角形单元,重新计算了3个例题,结果避免了上述问题,说明细观偶应力有限元尤其适用于分析剪切带问题.      

应力强度因子分析的三角形Williams单元

弹性断裂分析的Williams广义参数单元计算模型中忽略了紧邻裂尖的微区域,为了进一步完善该计算模型,本文提出并建立了三角形Williams单元。首先围绕裂尖将奇异区均匀分割为有限个三角形单元,利用改进的Williams级数建立该单元的整体位移场计算模型;其次沿径向将该三角形单元进一步离散为多个相似四边形微单元和裂尖三角形微单元,并利用经典有限元理论建立微单元的局部位移场计算模型;然后利用整体位移场控制各微单元结点位移,并在此基础上研究建立裂尖奇异区三角形Williams单元及其控制方程。该单元模型中含有与裂尖应力强度因子相关的参数,能够直接计算裂尖处的应力强度因子。最后结合算例详细分析了三角形Williams单元计算模型中径向离散因子、离散数、Williams级数项对计算结果的影响。算例分析表明,三角形Williams单元所得的应力强度因子具有对奇异区尺寸不敏感的优点,且收敛快,计算精度高。     

一种带有沙漏控制的新型EAS实体壳单元

基于 Hu-Washizu 变分原理推导了一种带有沙漏控制的实体壳单元的显式有限元列式;采用面内单点积分方案,提高了计算效率;同时引入沙漏控制力,抑制了沙漏现象.基于缩减积分方案,采用 B-bar 法消除体积自锁,并通过添加七个改善拟应变参数解决了泊松自锁和剪切自锁.采用改善拟应变法消除剪切自锁,使得表达式简洁.利用这种显式实体壳单元模型对3个非线性变形的标准算例进行了计算,并与相关参考文献和有限元软件 ABAQUS 的计算结果进行了比较.结果表明:该实体壳单元具有较高的计算精度,可有效地解决板壳非线性大变形分析问题,具有很好的工程应用前景.     

功能梯度板动力分析的光滑有限元法研究

为提高功能梯度板动响应问题求解精度,基于一阶剪切变形板理论,提出了求解功能梯度板自由振动问题的Cell-Based 光滑有限元格式．功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化,计算系统刚度矩阵时在光滑域内进行光滑梯度操作,可提高求解精度．采用Cell-Based 光滑有限元法,讨论了长厚比、形状因子和边界条件对两种典型功能梯度方板无量纲频率参数的影响,并与FEM法的解和文献中的解做了对比．数值算例的结果表明,光滑梯度操作可改善有限元系统的刚度,Cell-Based 光滑有限元法的计算结果更加逼近真实解,从而为功能梯度材料的进一步应用打下基础．